提高2J04磁鋼片的磁滯性能研究

崔 硯，蘇義兵，郭 祎

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

提高2J04磁鋼片的磁滯性能研究

崔 硯，蘇義兵，郭 祎

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

2J04磁鋼片的磁滯性能，對電機啟動可靠性及抗過載能力有重要影響。針對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問題，通過大量的工藝實驗對影響磁滯性能的因素進行研究，提出生產(chǎn)工藝改善方法。結(jié)果表明：改善后的2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能有所提高。

2J04磁鋼片；熱處理；磨削；磁滯性能

0 引 言

2J04磁滯合金具有優(yōu)良的磁滯性能，因而被廣泛用于磁滯電機的轉(zhuǎn)子、電機、陀螺儀等航天航空設(shè)備[1,2]。采用動壓氣浮軸承的電機具有壽命長、精度高等特點，磁滯電機具有自啟動的特點[3]。2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能決定電機的啟動力矩和啟動時間，對電機啟動可靠性及抗過載能力有重要影響。

本文針對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能低的問題進行研究，通過大量的工藝試驗，改進了生產(chǎn)工藝，提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，同時提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝的技術(shù)成熟度。

1 轉(zhuǎn)子磁鋼片原有工藝分析

由于轉(zhuǎn)子磁鋼片采用2J04磁滯合金，未掌握熱處理工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)，只是遵循QJ1398A-2008中關(guān)于2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)，導(dǎo)致熱處理后材料的磁滯性能低，無法滿足更高的特殊要求。

表1為QJ1398A-2008中2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)及磁滯性能。

表1 QJ1398A-2008中2J04磁滯合金的熱處理參數(shù)及磁滯性能

從表1可以看出，某型號任務(wù)中2J04磁滯合金的磁性能設(shè)計指標為：當(dāng)最大磁場強度Hm=5 174 A/m時，Bm≥1.6 T；Br≥1.37 T；Hc≥4 140 A/m，高于國軍標中的指標。

表2為國軍標及某型號任務(wù)設(shè)計提出的2J04磁滯合金的磁性能指標。在生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能指標中主要是矯頑力Hc，尚未達到任務(wù)所要求的2J04磁滯合金的設(shè)計指標，一般只能達到不小于3 680 A/m。

表3為采用QJ1398A-2008中的通用熱處理方法得到的數(shù)據(jù)。磁滯性能檢測使用NIM-2000s軟磁材料直流磁性能精密測量裝置，數(shù)值為3次測量的均值，誤差為±2%。

表2 2J04磁滯合金的磁性能指標

表3 采用QJ1398A-2008中的通用熱處理方法得到的數(shù)據(jù)

2 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片生產(chǎn)工藝的改進

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片為淬火冷軋成材，該合金在回火熱處理前具有良好的塑性，適用于剪切和切削，可以進行機械加工，但在熱處理后進行機械加工會降低磁性能，一般留較少余量進行磨削加工。針對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問題，對原有的生產(chǎn)工藝進行分析，發(fā)現(xiàn)影響磁鋼片磁滯性能的工序主要有熱處理和磨削加工，其中主要瓶頸為熱處理。2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝流程

改進 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝，提高了 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，使其滿足設(shè)計指標，從而提高2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟度。

2.1 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理工藝的改進

2J04磁滯合金經(jīng)過冷軋和淬火處理后，晶界上存在大量的高密度位錯，這些位錯會釘扎磁疇壁，在磁化過程中影響磁疇壁的移動，增加磁疇從無序向有序轉(zhuǎn)變的阻力，從而降低磁滯合金整體的磁性能，因此需要經(jīng)過回火熱處理來消除這些殘留位錯[4]。同時，2J04磁滯合金的磁性能對回火溫度較敏感，回火溫度為熱處理過程的主要影響因素，保溫時間和冷卻方式為一般影響因素[5,6]。

材料磁化過程中，沿磁場方向的拉應(yīng)力，能促進磁化，使磁化所需要的能量減少。2J04磁滯合金屬于FeCoV合金，此種合金的性能對彈性拉伸力十分敏感，當(dāng)施加彈性拉伸力時，沿拉伸方向的磁性能隨拉伸應(yīng)力呈直線增加。去掉拉伸力磁性能又恢復(fù)到原始狀態(tài)。據(jù)分析，轉(zhuǎn)子磁鋼片在回火熱處理時施加一定大小的拉伸應(yīng)力可以使合金的磁性能得到提高，具有與磁場處理相同的效果。

通過前期的初步試驗，發(fā)現(xiàn)磁鋼片做熱處理時，采用芯軸工裝，使2J04磁鋼片在低應(yīng)力狀態(tài)下回火可以提高磁鋼片的磁性能。圖2為2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理專用工裝。

2.1.1 熱處理溫度對轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

圖2 轉(zhuǎn)子磁鋼片的熱處理工裝

通過分析可知，熱處理過程中對磁鋼片的磁滯性能影響的主要因素為：回火熱處理溫度和拉伸應(yīng)力，保溫時間和冷卻方式為一般影響因素。試驗首先研究熱處理溫度對磁滯性能的影響，選定回火熱處理溫度，然后在此基礎(chǔ)上研究保溫時間和冷卻方式對磁滯性能的影響，實驗件都使用熱處理工裝（見圖2）。磁滯合金的磁性能對回火溫度較敏感，試驗中采用階段升溫法，嚴格控制溫度的沖擊，保證溫度的一致性；加熱方式選擇先緩慢預(yù)熱到550 ℃，入爐前保溫，最后放入熱處理爐，隨爐加熱以5 ℃/min緩慢加熱到預(yù)定溫度，以防止溫度沖擊；在熱處理工藝試驗中，試樣采用2J04磁滯合金的成分如表4所示。

表4 2J04磁滯合金成分

表4中，回火熱處理溫度參考2J04常用回火溫度，選擇600 ℃、605 ℃、610 ℃、615 ℃、620 ℃、625℃和630 ℃；降溫方式為空冷；由于使用工裝，為保證磁鋼片在熱處理時熱透，選定保溫時間為1.5 h，比散片要長；選用NIM-2000s軟磁材料進行直流磁性能精密測量裝置，取3次測量均值。

表5為不同溫度下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果。從表5可以看出，使用熱處理工裝后，轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能大幅度提高。除600 ℃時矯頑力Hc略低于設(shè)計要求指標，625 ℃及630 ℃時最大磁感應(yīng)強度Bm低于指標，其余指標均高于設(shè)計要求。

表5 不同溫度下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果

圖3～圖6分別為最大磁感應(yīng)強度Bm、剩余磁感應(yīng)強度Br、矯頑力Hc和磁能積Br×Hc與熱處理溫度的關(guān)系。

圖3 Bm與熱處理溫度的關(guān)系

圖4 Br與熱處理溫度的關(guān)系

圖5 Hc與熱處理溫度的關(guān)系

圖6 磁能積與熱處理溫度的關(guān)系

從圖3～圖6中可以看出，隨著溫度的升高，最大磁感應(yīng)強度Bm及剩余磁感應(yīng)強度Br都明顯降低；而矯頑力Hc隨著溫度升高，在615 ℃以下呈上升趨勢，615 ℃以后輕微波動，變化不大；磁能積在610 ℃達到頂峰隨著溫度的升高迅速下降。綜合來看，最佳溫度點應(yīng)為610 ℃，各項指標均高于設(shè)計指標。遠高于散片熱處理數(shù)據(jù)。

2.1.2 冷卻方式對轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

選定最佳回火熱處理溫度后，再次進行試驗，研究不同冷卻方式對磁滯性能的影響。試驗過程中采用階段升溫法，熱處理工裝，回火熱處理溫度為610 ℃，保溫時間為1.5 h和2 h，冷卻方式分別選擇空冷、水冷、液氮進行。

表6為采用不同冷卻方式下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果。從表6中可以看出，3種冷卻方式對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能幾乎沒有影響，但從操作難易程度上看空冷是最簡單的，選定最佳冷卻方式為空冷。

表6 不同冷卻方式下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果

2.1.3 保溫時間對轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響

選定冷卻方式后，進行第3組試驗，研究不同保溫時間對磁滯性能的影響。試驗過程中采用階段升溫法，采用的熱處理工裝，回火熱處理溫度為610 ℃；冷卻方式選擇空冷，保溫時間分別為0.5 h、1 h、1.5 h和2 h進行；磁性性能檢測于航天科工防御技術(shù)研究試驗中心。選用NIM-2000s軟磁材料進行直流磁性能精密測量裝置，對3次數(shù)值測量取均值。

表7為不同保溫時間下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果。從表7中可以看出保溫時間從0.5 h到1.5 h之間對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能影響很小，但保溫時間達到2 h轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能會明顯下降，尤其是剩余磁感應(yīng)強度Br從1.54降至1.45。這是由于熱處理時間太長，導(dǎo)致材料中晶粒尺寸的變大，影響磁疇的分布，從而影響剩余磁感應(yīng)強度 Br。考慮到試驗件的磁鋼片數(shù)量較少，在批量生產(chǎn)時磁鋼片數(shù)量較多，為保證其熱處理的熱透性，同時兼顧效率，最佳保溫時間為1 h。

表7 不同保溫時間下2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的回火熱處理試驗結(jié)果

2.1.4 小 結(jié)

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能優(yōu)異取決于磁能積的大小，因此熱處理的目的在于使材料的磁能積達到最大值。通過數(shù)次熱處理工藝試驗，采用膨脹芯軸工裝，分別研究了熱處理溫度、冷卻方式、保溫時間等熱處理參數(shù)對轉(zhuǎn)子磁鋼片磁滯性能的影響，選定熱處理參數(shù)，優(yōu)化了熱處理工藝。優(yōu)化后的熱處理工藝為：使用膨脹芯軸工裝；熱處理過程中采用階段升溫法，防止溫度沖擊；熱處理溫度選擇為610 ℃；保溫時間為1 h；冷卻方式為空冷。優(yōu)化后的熱處理工藝，大幅度提高了2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能，使熱處理后轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能滿足了型號的設(shè)計指標。

2.2 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片磨削加工工藝的優(yōu)化

2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片在回火熱處理后，磁性能顯著提高，但材質(zhì)變硬、變脆，不允許振動敲打。機械加工由于會產(chǎn)生塑性擠壓形變，影響磁疇分布[7]。同時，在機加過程中產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力，因此會顯著影響轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁性能。磨削加工時要保證轉(zhuǎn)子磁鋼片冷卻性好，否則可能因表面溫度高而產(chǎn)生回火，使得材料性能大大改變。經(jīng)驗表明，不加冷卻經(jīng)過強烈磨削后，會使轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件的磁滯性能下降30%。

研究方案為：首先按照轉(zhuǎn)子磁鋼片熱處理工藝進行熱處理，然后進行膠結(jié)疊片，選用不同磨削進刀量分別加工轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件，同時在磨削加工的過程中使用冷卻液，對加工前后的轉(zhuǎn)子磁鋼疊片組件進行磁性能檢測。選擇的進刀量參數(shù)分別為0.001、0.005、0.01、0.02、0.05 mm/r。

表8為不同磨削進刀量分別加工磁鋼疊片組件的磁性能統(tǒng)計。圖 7～圖 10分別為磨削加工進刀量對最大剩余磁感應(yīng)強度Bm、剩余磁感應(yīng)強度Br、矯頑力Hc和磁能積的影響

表8 不同磨削進刀量分別加工磁鋼疊片組件的磁性能統(tǒng)計

圖7 磨削加工進刀量與Bm的關(guān)系

圖8 磨削加工進刀量與Br的關(guān)系

圖9 磨削加工進刀量與Hc的關(guān)系

圖10 磨削加工進刀量與磁能積的關(guān)系

從圖7～圖10中可以看出，磨削加工進刀量較小，分別為0.001、0.005和0.01 mm/r時，對于磁性能的影響較小，當(dāng)磨削進刀量達到0.02 mm/r，磁性能開始明顯下降，尤其是剩余磁感應(yīng)強度Br和矯頑力Hc，分別由1.55 T和4 400 A/m降至1.45 T和4 080 A/m，其磁能積也由6 820 J/m3降至5 910 J/m3。可以得出如下結(jié)論：磨削加工時，應(yīng)選擇較小的進刀量，進刀量越小，對于磁性能的損失越小，但考慮到加工效率，推薦選擇磨削加工進刀量為0.005 mm/r。

3 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片工藝改進后的工藝分析

針對 2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能低的問題，對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的生產(chǎn)工藝尤其是熱處理和磨削加工進行了優(yōu)化改進。采用改進后的工藝，對2J04轉(zhuǎn)子疊片進行熱處理，嚴格控制回火溫度（±5 ℃），2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片的磁滯性能均達到了設(shè)計指標，合格率達到100%，從而驗證了本方法的穩(wěn)定性和繼承性；同時，通過大量工藝試驗及磁滯性能檢測，驗證了工藝的完整性，其磁性能指標可以檢測。

4 結(jié)束語

本文通過大量工藝試驗，對2J04轉(zhuǎn)子磁鋼片工藝進行研究，提高了其磁性能。對于提高電機啟動可靠性及抗過載能力，提高整表穩(wěn)定性，保證研制工作順利進行有重要影響。同時對磁滯合金的共性問題探索出可借鑒的典型工藝方法供同類產(chǎn)品研制參考、運用。

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Research on Increasing Hysteresis Properties of 2J04 Magnet Steel

Cui Yan, Su Yi-bing, Guo Yi
(Beijing Aerospace Control Device Institute, Beijing, 100854)

Hysteresis properties of 2J04 magnet steel affect the reliability of enablement and the ability of overload protection of electrical motor. Research on improving the production technology through a large number of tests to increase hysteresis properties of 2J04 magnet steel is introduced.

2J04 magnet steel; Heat treatment; Grinding; Hysteresis properties

TN304.05

A

1004-7182(2017)01-0084-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170120

2016-04-01；

2016-07-01

崔 硯（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為電機加工及裝配工藝技術(shù)